油氣輸送管道電磁在線檢測(cè)技術(shù)

　　摘　要

　　基于管道電磁高速檢測(cè)原理的“管道爬行器”是一種高速探傷裝置, 專對(duì)地下油氣輸送管道在線檢測(cè), 檢測(cè)的數(shù)據(jù)在其內(nèi)經(jīng)過(guò)放大、消噪聲, 再通過(guò)多路復(fù)用和壓縮編碼等壓縮后存入RAM 或Tape 中, 最后通過(guò)控制分析系統(tǒng), 并經(jīng)去壓縮解碼器恢復(fù)成檢測(cè)圖形曲線。研究證明, 高速檢測(cè)系統(tǒng)能準(zhǔn)確識(shí)別軸向和沿圓周8 等分區(qū)間缺陷位置及等級(jí), 具有檢測(cè)速度快、無(wú)漏檢等特點(diǎn)。

　　依靠原油流動(dòng)為驅(qū)動(dòng)力, 以超聲探頭繞管道內(nèi)壁掃描探傷的“管道爬行器”, 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的抽樣檢測(cè), 其缺點(diǎn)是檢測(cè)信號(hào)耦合不可靠、速度慢, 有漏檢和誤檢現(xiàn)象。

　　本文研究的高速在線檢測(cè)系統(tǒng), 采用電磁檢測(cè)原理, 專對(duì)油氣輸送管道檢測(cè), 且速度快, 無(wú)漏檢。

　　1　檢測(cè)技術(shù)原理

　　根據(jù)電磁檢測(cè)原理, 鐵磁性材料在交變外磁場(chǎng)H o 磁化下, 其內(nèi)宿缺陷形成的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hg為

　　式中

　　μg、μf——分別為缺陷和材料磁導(dǎo)率

　　N——退磁因子,N = T/(T + S )

　　T、S——分別為橢圓截面的長(zhǎng)、短軸

　　Ho垂直于T 或S 時(shí), 缺陷形狀和Hg 隨著N (0 < N < 1) 變化而變化。當(dāng)檢測(cè)裝置帶動(dòng)傳感器掃查管道內(nèi)表面區(qū)間, 管道內(nèi)縮缺陷的磁場(chǎng)H g 在傳感器陣列中感應(yīng)形成微弱的缺陷電信號(hào)。缺陷信號(hào)的幅度、寬度與缺陷分布有關(guān), 磁化場(chǎng)的方向與橢圓缺陷的短軸正交, 缺陷信號(hào)幅度小、寬度寬, 磁化場(chǎng)的方向與橢圓缺陷的長(zhǎng)軸正交, 缺陷信號(hào)幅度高、寬度小。若先后施加互為正交的磁化場(chǎng)時(shí), 各向缺陷都會(huì)形成較強(qiáng)的缺陷信號(hào), 這種對(duì)材料施加磁化場(chǎng), 在傳感器內(nèi)激發(fā)缺陷信號(hào)的無(wú)損檢測(cè)稱電磁檢測(cè)。

　　2　檢測(cè)主設(shè)備結(jié)構(gòu)

　　高速檢測(cè)主設(shè)備由“管道爬行器”裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、大型越野車、車載發(fā)配電設(shè)備、計(jì)算機(jī)分析識(shí)別系統(tǒng)和相關(guān)外設(shè)、接口等組成, 如圖1 所示。

　　圖1　電磁法高速檢測(cè)設(shè)備“管道爬行器”結(jié)構(gòu)

　　2.1　“管道爬行器”的漏磁激發(fā)裝置

　　“管道爬行器”的漏磁激發(fā)裝置由1 套穩(wěn)恒磁化裝置和2 套輪形引導(dǎo)磁極構(gòu)成對(duì)地下管道壁的充分磁化, 當(dāng)“管道爬行器”運(yùn)行在某段區(qū)間時(shí), 兩輪之間的缺陷受到磁場(chǎng)激勵(lì), 其內(nèi)壁形成強(qiáng)烈的漏磁信號(hào), 在“管道爬行器”中設(shè)4只8通道彈性掃查探頭, 向外包繞角360°, 由探頭接收管道內(nèi)缺陷的漏磁場(chǎng), 變成缺陷信號(hào)。

　　2.2　“管道爬行器”的行走機(jī)構(gòu)

　　“管道爬行器”的前側(cè)和后端共設(shè)8 只彈性輪, 它們與管道軸線成20°角, 當(dāng)“管道爬行器”在管道內(nèi)穿越時(shí), 彈性輪支承“管道爬行器”平穩(wěn)前進(jìn), 同時(shí)引導(dǎo)“管道爬行器”自體在管道內(nèi)旋轉(zhuǎn), 以便各探頭形成互相疊合的螺旋帶, 確保管道壁各向缺陷全部被檢測(cè)。

　　2.3　“管道爬行器”行走動(dòng)力

　　(1) 在停產(chǎn)狀態(tài)下, 由空壓風(fēng)機(jī)向“管道爬行器”入口端灌氣, 當(dāng)氣壓為0.05M Pa 時(shí), 為“管道爬行器”提供約280 N 推動(dòng)力, 此推動(dòng)力使“管道爬行器”的運(yùn)行速度達(dá)到40～ 60m/min。

　　(2) 在運(yùn)行狀態(tài)下, 行走動(dòng)力由油氣提供。當(dāng)“管道爬行器”前后兩端的壓差為0.1MPa 時(shí), 可為“管道爬行器”提供約550 N 推動(dòng)力, 此推動(dòng)力使“管道爬行器”的運(yùn)行速度達(dá)到油氣的輸送速度。

　　3　“管道爬行器”的檢測(cè)信號(hào)處理

　　3.1　檢測(cè)信號(hào)

　　“管道爬行器”內(nèi)有4 個(gè)檢測(cè)探頭和8 個(gè)通道傳感器, 它們?cè)诠艿纼?nèi)高速行進(jìn)中采集大量的微弱信號(hào), 這些信號(hào)經(jīng)過(guò)設(shè)在探頭內(nèi)的放大器提供60 db 的增益, 其幅度達(dá)到12 Vp-p , 波形如圖2 所示。

　　圖2　“管道爬行器”分區(qū)檢測(cè)所獲得的檢測(cè)信號(hào)

　　圖2 中法蘭信號(hào)是指管道連接處探頭檢測(cè)獲得的飽和脈沖, 它正是管道的識(shí)別信號(hào), 在信號(hào)壓縮處理中, 法蘭信號(hào)是非常有用的試樣信號(hào)。噪聲信號(hào)包含電磁噪聲、行走噪聲、撞擊噪聲和焊接處干擾及放大器噪聲等; 缺陷信號(hào)是檢測(cè)管道缺陷所獲得信號(hào); 管道正常部分信號(hào)是探頭檢測(cè)無(wú)損傷管道獲得的信號(hào); 缺陷密集段信號(hào)是檢測(cè)管道內(nèi)存在密集的銹蝕和損傷所獲得的信號(hào)。根據(jù)信號(hào)曲線判斷, 第2 根管道的前半段315°～ 368°區(qū)間存在密集性損傷缺陷,而0～53°區(qū)間存在1 個(gè)缺陷。

　　3.2　檢測(cè)信號(hào)的噪聲處理

　　圖2 所示的8 通道信號(hào), 首先經(jīng)過(guò)帶通濾波器, 濾除40 kHz 以上的白噪聲, 然后由電平切割鏟除背景噪聲和行走噪聲。對(duì)于8 通道傳感器, 撞擊干擾是同時(shí)發(fā)生的短促窄脈沖, 由“模擬與”門(mén)電路可對(duì)其抑制。至此, 8 通道信號(hào)中的正常管道信號(hào)是純凈的零電平信號(hào), 只有高電平的法蘭信號(hào)和缺陷信號(hào)及較高電平噪聲干擾。

　　3.3　檢測(cè)信號(hào)的壓縮處理

　　“管道爬行器”是脫離外界控制的自行走高速檢測(cè)裝置, 圍管道360°的8 通道檢測(cè)探頭在其行程內(nèi)拾取極其豐富的信息, 其高速檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)是這些數(shù)據(jù)的處理與存儲(chǔ), 可以采用壓縮方法處理檢測(cè)信號(hào), 如圖3 所示。

　　圖3　“管道爬行器”檢測(cè)的缺陷信號(hào)與法蘭信號(hào)的數(shù)字壓縮編碼方法

　　由圖3 可知, 當(dāng)檢測(cè)無(wú)損傷管道時(shí)信號(hào)為0, 比較器輸出“法蘭”信號(hào)數(shù)據(jù)。此后, 采用“預(yù)測(cè)法”壓縮數(shù)據(jù), 即首先傳送前一只管道“法蘭”作為模板, 各通道信號(hào)與法蘭比較, 為“0”的表示對(duì)應(yīng)的傳感器檢測(cè)的是無(wú)損傷區(qū)域, 以此法蘭號(hào)代替該區(qū)域數(shù)據(jù); 非“0”表示為對(duì)應(yīng)的傳感器檢測(cè)的是有損傷區(qū)域, 傳送該區(qū)域缺陷信號(hào)數(shù)據(jù)。對(duì)于連續(xù)缺陷的信號(hào)數(shù)據(jù), 減法器輸出最早的缺陷數(shù)據(jù)和后來(lái)缺陷數(shù)據(jù)與前面缺陷數(shù)據(jù)的差值。若多個(gè)通道有缺陷信號(hào)數(shù)據(jù), 則采用“時(shí)分復(fù)用”技術(shù), 由多路開(kāi)關(guān)將多路缺陷信號(hào)數(shù)據(jù)歸為1路數(shù)據(jù), 從而極大地壓縮了數(shù)據(jù)量。

　　檢測(cè)信號(hào)經(jīng)壓縮編碼處理后, 記錄在單片機(jī)的RAM 或Tape (磁帶) 上, Tape 的L 聲道為缺陷信號(hào)數(shù)據(jù), R 聲道為法蘭號(hào)。

　　4　油氣輸送管道檢測(cè)分析設(shè)備

　　當(dāng)“管道爬行器”駛出管道后, 存儲(chǔ)在RAM 或Taye 內(nèi)的數(shù)據(jù)被送往現(xiàn)場(chǎng)車載式高速檢測(cè)分析設(shè)備處理, 分析設(shè)備由重放設(shè)備、接口設(shè)備、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)解碼恢復(fù)技術(shù)D/A 變換、分析判斷和圖形曲線顯示裝置等組成。

　　4.1　數(shù)據(jù)重放

　　若記錄時(shí)采用單片機(jī)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM 中, 則此時(shí)的單片機(jī)為分析設(shè)備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外設(shè), 計(jì)算機(jī)讀取的是RAM 中的數(shù)據(jù);若采用磁帶記錄, 重放磁帶的L 聲道為缺陷信號(hào)數(shù)據(jù),R 聲道為法蘭信號(hào),它們經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)接口卡與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接并讀入主機(jī)。

　　4.2　數(shù)據(jù)去壓縮解碼方法

　　缺陷信號(hào)與法蘭信號(hào)的數(shù)據(jù)去壓縮解碼方法, 如圖4 所示。數(shù)據(jù)經(jīng)多路開(kāi)關(guān)恢復(fù)成8 通道缺陷信號(hào)數(shù)據(jù)和法蘭信號(hào), 以前一個(gè)法蘭為當(dāng)前管道預(yù)測(cè)模板, 預(yù)測(cè)模板與各路缺陷數(shù)據(jù)在加法器疊加, 結(jié)果為預(yù)測(cè)模板值, 則輸出法蘭模板, 顯示該管道區(qū)域?yàn)闊o(wú)損傷缺陷。否則, 缺陷信號(hào)與法蘭信號(hào)相加, 表示該管道此區(qū)域存在的缺陷及其軸向位置。經(jīng)過(guò)低電平切割運(yùn)算, 進(jìn)一步抑制干擾噪聲, 調(diào)整檢測(cè)靈敏度, 最后經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換, 在顯示器上顯示實(shí)際檢測(cè)結(jié)果的圖形曲線, 缺陷信號(hào)數(shù)據(jù)還可以存儲(chǔ)和建檔, 便于調(diào)用和在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳輸。

　　圖4　缺陷信號(hào)與法蘭信號(hào)的數(shù)據(jù)去壓縮解碼

　　4.3　主要技術(shù)指標(biāo)

　　(1) 檢測(cè)油氣輸送管道直徑范圍: 100～ 2 000 mm。

　　(2) 油氣輸送管道彎曲度: < 5%。

　　(3) 檢測(cè)速度: 60 m/min 以上。

　　(4) 檢測(cè)缺陷類型: 內(nèi)、外壁及內(nèi)部各種裂紋、孔洞、腐蝕坑及磨損槽等。

　　(5) 檢測(cè)油氣輸送管道長(zhǎng)度: 20 km 以上。

　　(6) 顯示方式: 圖形曲線方式顯示油氣輸送管道在軸向位置和圓周45°范圍缺陷, 顯示各種缺陷類型及位置和缺陷信號(hào)幅度及寬度, 圖形曲線調(diào)用對(duì)比方式顯示各種缺陷類型。

　　5　結(jié)束語(yǔ)

　　“管道爬行器”采用電磁檢測(cè)原理和數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù), 專門(mén)用于對(duì)地下油氣輸送管道高速檢測(cè)系統(tǒng), 具有速度快, 無(wú)漏檢等特點(diǎn)。“管道爬行器”檢測(cè)的數(shù)據(jù)與檢測(cè)控制、分析系統(tǒng)聯(lián)系后, 經(jīng)過(guò)去壓縮解碼器恢復(fù)成檢測(cè)圖形曲線, 能夠準(zhǔn)確地識(shí)別缺陷位置和缺陷等級(jí), 檢測(cè)結(jié)果滿足相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。